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作者：

陈烜

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摘要：

聚乳酸(PLA)是近年来兴起的,由玉米,小麦等天然产物制得的一种完全可降解聚酯材料.由于聚乳酸具有良好的生物相容性,较高的力学强度以及尺寸稳定性好等特点,成为环境友好聚合物材料领域研究和发展的热点.然而,聚乳酸脆性大,结晶缓慢以及耐热性差等缺点极大阻碍了聚乳酸材料的实际应用范围.本文采用高效成核剂癸二酸二苯甲酰肼(TMC300)提高聚乳酸材料的结晶性能,进而改善其耐热性.同时引入完全可生物降解的弹性体材料PBAT和反应型增容剂-多元环氧化合物(ADR),探究四元体系下ADR加料方式以及成核剂TMC300对聚乳酸材料耐热性能和冲击韧性等方面的影响.此外,本文引入一种绿色,高效的增塑剂-超临界二氧化碳,研究超临界二氧化碳辅助共混与ADR对PLA/PBAT共混体系的协同增容增韧效应,并通过热处理来提高共混物的结晶度和耐热性能.通过对上述两个体系的系统研究,最终得到一组具有高冲击韧性,高耐热形变温度的PLA/PBAT/ADR共混材料.主要的研究内容和结果如下:(1)研究高效成核剂TMC300作用下,聚乳酸结晶性能的改善.通过差示量热扫描法研究了非等温结晶条件下聚乳酸的结晶行为.对PLA/TMC300共混物进行等温动力学的研究.结果发现,在聚乳酸中加入TMC300以后,聚乳酸开始快速结晶.并确定成核剂最佳添加量为1phr.经过等温结晶后,PLA/TMC300 (100:1.0)试样的结晶度可提高到42.0%,维卡软化点从纯PLA的64.3℃提高到160.6℃,拉伸强度也略有提高.(2)研究ADR添加量以及加料方式(一步共混法和二步共混法)对PLA/PBAT(60:40)共混体系加工流变性能,冲击韧性以及微观结构等方面的影响.并在共混体系中引入高效成核剂TMC300,以提高共混物的结晶速率和结晶度.最终得到具有高韧性,高耐热形变温度的PLA/PBAT/ADR/TMC300共混物.随着ADR添加量的增大,共混物的冲击韧性得到提高.相对于一步共混法,两步共混法由于强化ADR对PLA基体与PBAT分散相界面的反应增容效果,使得两相界面粘附力更强,分散相更加细化,其增韧效果最为优异.针对上述共混物结晶速率缓慢,结晶度低,导致维卡软化点低的问题,在共混体系中引入高效成核剂TMC300,研究成核剂以及ADR对共混物结晶行为的影响.结果表明,高效成核剂的加入可以大大提高共混材料的结晶速率,表现出异相成核特点.然而ADR的加入在增大体系黏度的同时降低了链段的活动能力.DSC和熔融指数的结果表明,熔体黏度的提高一定程度降低了体系的结晶能力.研究结晶温度对共混物结晶度,结晶结构,冲击韧性以及维卡软化点的影响.结果发现,当在较低温度进行熔体结晶时(80℃等温结晶15min),所得两步法共混物的维卡软化点在得到显著提升的情况下,其缺口冲击强度仍能维持在较高水平.如PLA/(PBAT/ADR)(60:40:1)急冷样条的缺口冲击强度和维卡软化点分别为74.48 kJ·m-2 和 78.4℃.而 80℃ 等温结晶 15min 后,PLA/(PBAT/ADR)/TMC300(60:40:1:1)结晶样条的缺口冲击强度和维卡软化点分别为74.26kJ·m-2和129.6℃.这是由于两步法所得共混物的界面粘附力最强,分散相尺寸最为细化,加上低温结晶生成的细小晶体,可以有效分散冲击产生的应力,使得高结晶度两步法共混材料在具备高耐热形变温度的同时,也能够保持优异的抗冲击性能.相对而言,一步法共混物在8℃等温结晶15min后,其缺口冲击强度会出现一定程度降低.这可能是由于一步共混法中ADR对PLA/PBAT两相界面的反应增容效果较弱所致.而在相对高温下进行等温熔体结晶(130℃等温结晶15min),由偏光显微镜观察可知,不论是一步法共混物,还是两步法共混物,其PLA基体的晶体尺寸均显著增大,且大尺寸晶体之间发生明显挤压,这会导致共混物基体的刚性和内应力过大,不易屈服且极易产生裂纹.因此,导致共混物的冲击韧性均出现明显的下跌.(3)在超临界二氧化碳辅助密炼机中研究超临界二氧化碳流体与扩链剂ADR对PLA/PBAT(70:30)共混物的协同增容增韧效应,并通过热处理手段进一步提高共混物的各项性能,得到了一组具有高韧性,高耐热形变温度的PLA/PBAT/ADR共混物.通过转矩流变行为证实,在共混物制备过程中,超临界二氧化碳的加入可以降低共混物熔体黏度,起到物理增塑剂和增容剂的作用.通过对样品冲击断面微观形貌观察,加入ADR可以起到反应增容剂的作用,强化界面粘附力,细化相尺寸.其缺口冲击强度由8.76 kj·m-2增大至12.87 kJ·m-2.同时,超临界二氧化碳的加入进一步强化ADR的增容作用,相尺寸进一步减小,其缺口冲击强度提高至36.23 kJ·m-2.对共混物急冷样条进行退火热处理(80%等温处理1h),使样条充分结晶,所得结晶样条的维卡软化点由急冷样条的70℃左右增大至149℃的最大值,而缺口冲击强度仍保持在较高水平.

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学位级别：

硕士

学位年度：

2017